Utente:Adert/SandBox2
I primi studi
Dal Silbervogel al X-15
La prima menzione di un razzo dotato di ala capace di lasciare la bassa atmosfera fu in un progetto tedesco-austriaco dell'ingegnere Eugen Sanger risalente al 1933. Il concetto venne successivamente sviluppato verso la fine della seconda guerra mondiale con la il disegno dello Silbervogel, un velivolo in grado di bombardare gli Stati Uniti dopo aver realizzato un volo suborbitale. Al termine della guerra, l'aeronautica militare statunitense studiò, con la North American Aviation un missile alato, chiamato Navaho per il trasporto di armi nucelari. Dopo alcuni voli di test effettuati nel 1957 il progetto fu abbandonato in favore di missili balistici di tipo Atlas, Titan e Thor
In questo epriodo il centro di ricerca aeronautica statunitense, la NACA, poi divenuta NASA fu fortemente convolta nella ricerca sugli aerei a razzo tanto da realizzare il Bell X-1 che superò la barriera del suono nel 1947. Questi studi portarono velocemente ad identificare i due grandi problemi di progettazione: l'instabilità nel volo atmosferico e la dissipazione del calore durante il rientro nell'atmosfera. Quest'ultimo portò allo studio di nuovi materiali per la realizzazione di un adeguato scudo termico. La costruzione del razzo X-15, avvenuta nel 1954, consentì la sperimentazione di diverse soluzioni. Le nuove scoperte consentirono di arrivare, nel 1960, ad una velocità di 6.8 Mach ed una altitudine di 108 km. L'X-15 potè sperimentare gran parte delle fasi di volo che incontrerà decenni più avanti lo Space Shuttle durante il rientro sulla Terra[2].
Corpo portante (1957-1970)
Per ridurre le sollecitazioni termiche e meccaniche subite da un aereo che vola ad alta velocità, una soluzione è quella di rimuovere l'ala e generare portanza con la forma del corpo che viene allargato. Aerei di questo tipo, chiamati a corpo portante, furono studiati dalla NASA a partire dal 1957. Parecchi prototipi dimostrarono la loro cpacità di eseguire rientri e deviazioni del percorso con buona facilità. Di questo concetto fu il progetto del Boeing X-20 Dyna-Soar, voluto dall'aeronautica militare statunitense nel 1957. Esso era costituito da un corpo portante e da una ala a delta, veniva lanciato come un razzo per poi atterrare come un aereo. Il progetto progerì fino al 1963 quando fu chiuso per motivi di bilancio, poichè non era giustificato da uno scenario di missione chiaramente identificato[2].
Il progetto di navetta in fase sperimentale (1968-1970)
Mentre la NASA era impegnato nelle ultime fasi dello sviluppo del Programma Apollo, l'agenzia spaziale lanciò, il 30 ottobre 1968, una consultazione per lo sviluppo di un sistema di lancio riutilizzabile in grado di mettere in orbita bassa un carico utile compreso tra le 2,3 e le 23 tonnellate e di riportare slla Terra almeno 1 tonnellata di carico e con un vano di almeno 85 m3. Nel febbraio dell'anno successivo, quattro aziende: North American Rockwell, Lockheed, General Dynamics e McDonnell Douglas vennero selezionate per partecipare a questo studio preliminare[3].
I vari centri di ricerca della NASA avevano opinioni divergenti sul progetto della navetta. Maxime Faget, in rappresentanza del Marshall Space Flight Center era favorevole ad una piccola navetta dotata di piccole ali dritte
è a favore di una navetta dotata di ali piccole dritto con scarse possibilità di compensare teoria, ma più leggero e meglio aliante a velocità subsoniche: il DC-Shuttle 3, un 1/10th aereo modello in scala sarà rilasciato nel maggio 1970 per l'aerodinamica a bassa velocità. Centri di Langley e Dryden sostenere la soluzione del corpo di sollevamento e soprattutto l'H-10 hanno contribuito a sviluppare. Un bus di questo tipo ha una capacità di compensare intermedio tra l'ala destra e ala delta, anche se teoricamente meno ingombrante rispetto al secondo. L'Air Force e il Laboratorio Draper in favore di un ala delta che offre una capacità massima di offset. Lavoro da Fase A completamento nel giugno 1970 per consentire la NASA ad eliminare il concetto di corpo di sollevamento la cui forma non è compatibile con i carri armati di trasporto e attrezzature e l'uso di un ala a geometria variabile anche ha studiato con conseguente navetta troppo pesante [4]. Nei disegni prodotti dalle quattro società dello shuttle ha due componenti distinte, sia riutilizzabile. Il primo piano è volato a terra con motori a propulsione convenzionale. Il secondo piano continua a spingere se stesso in orbita e quindi esegue un rientro una volta che la missione è compiuta con un angolo di rotazione molto alta prima di atterrare come un aereo [5].
Il lancio del progetto (1969-1972)
Mentre il programma Apollo era orami all'apice del successo con il realizzarsi del primo sbarco sulla luna, gli ingegneri e molti dirigenti della NASA erano convinti di poter convincere gli amministratori politici di sostenere l'ingente quota di bilancio dedicata al programma spaziale ed in particolare al volo umano. Dopo che erano stati raggiunti degli obbiettivi che nel 1960 parevano irrealizzabili, essi ritenevano che lo sbarco su Marte, l'insallazione di colonie abitate sulla Luna erano alla portata dell'agenzia spaziale. Ma i politici di Washington non avevano nei le possibilità ne la volontà di finanziare programmi così ambizioni. Lo Space Shuttle sarà il risultato del compromesso tra il desiderio della NASA di dotarsi di un mezzo innovativo e le limitate risorse messe a disposizione dai leader del paese.
Cosa ci aspetta nel programma Apollo? (1969)
All'inizio del 1969, la NASA studiò il seguito del programma Apollo. Nell'euforia dei successi del programma lunare furono sviluppate diverse proposte: la realizzazione di una stazione spaziale, di una base lunare, una spedizione su Marte e la progettazione di una navetta[6]. Un comitato "Space Task Group" fu creato su richeista del Presidente degli Stati Uniti Richard Nixon per preparare i prossimi voli con equipaggio della NASA. I lavori di questo gruppo portarono alla formulazione di tre scenari possibili con un bilancio annuale che variava dai 5 ai 10 miliardi di dollari, un importo pari o superiore al bilancio annuale del programma Apollo al massimo del suo sviluppo. La proposta meno ambiziosa prevedeva lo sviluppo simultaneo di una navetta e di una stazione spaziale. Il presidente Nixon non accettò nessuno di questi scenari perchè li giudicò troppo dispendiosi.
La NASA decise così di concentrare i finanziamenti sullo sviluppo della navetta spaziale, ritenendo che la disponibilità di quest'ultima fosse un requisito necessario per la costruzione successiva della stazione. I dirigenti della NASA ritennero inoltre che la navetta potesse essere utilizzata per sostituire altri 10 lanciatori disponibili a quel tempo, compresi quelli utilizzati dall'esercito, per il lancio di satelliti in orbita.
La fine della Guerra Fredda e il crollo del programma spaziale sovietico tolsero al programma statunitense una gran parte della sua giustificazione. Il presidente Nixon, che dovette affrontare una situazione di budget molto lmitato, non volle fare scelte di alto profilo per l'esplorazione spaziale non ritenendo che ci fossero sufficienti ricadute politiche. Nixon mise il progetto della NASA sotto il controllo dei superfisori del bilancio federale (l'OMB - Office of Management and Budget) a partire dal 1970 che richiese una giustificazine per ogni spesa dell'ente spaziale. L'organismo di controllo pose molti limiti e vincoli al procedere dello sviluppo della navetta, tanto che il direttore della NASA James C. Fletcher ritenne che non solo, l'OMB, si occupasse di gestire il budget ma pretendesse anche di fare delle scelte sulla progettazione[7] [8].
Per combattere lo scetticismo dell' OMB la NASA dette incarico ad una società di consulenza esterna, Mathematica, di realizzare uno studio sugli oneri economici del progetto. I risultati furono molto favorevoli, in quanto venne ipotizzato una drastica diminuzione dei costi di messa in orbita da parte della navetta riutilizzabile in confronto ai razzi convenzionali. Questa relazione verrà utilizzata dalla NASA per difendere la reddittività del progetto, in particolare nei confronti del Senato.
Fase B Design (1970-1971)
Al termine della fase A, la NASA impone, giugno 1970, nuove specifiche in una fase di progettazione più dettagliata, chiamata fase B. Si specifica che la navetta dovrà decollare verticalmente e atterrare orrizzontalemnte. Il complesso dovrà essere collocato ad un orbita di 500 km con una inclinazione di 55° e trasportare un carico utile di 6,8 tonnellate. La specifica richiesta per il carico utile aumenta pochi mesi dopo per venire incontro all'esercito, finanziatore del progetto, che richiedeva 30 tonnellate in orbita bassa. Le aziende concorrenti vengono invitate a progettare due versioni, una più simile alle esigenze dell'ente spaziale e l'altra invece alle aspettative dell'esercito. Inoltre viene richeisto che la navetta possa compiere un secondo tentativo di atterraggio, qualora il primo non fosse riuscito, impiegando quindi dei motori a reazione. Si prevedeva che la navetta fosse disponibile a tornare a volare dopo due settimane dal temrine di una missione per una frequenza compresa tra i 25 e i 40 voli all'anno. Ogni navetta doveva trasportare un equipaggio di due astronati.
Due aziende furono selezionate per la fase B: McDonnell Douglas associata a Martin Marietta e North American Rockwell con General Dynamics. Già nel marzo 1971 i due costruttori hanno preparato una bozza di progetto. Entrambe risultano essere molto simili per quanto riguarda l'orbiter, anche perchè la NASA aveva fornito a loro delle specifiche molto restrittive. Molto diversi, invece, appaiono le proposte per il vettore. Un fattore comune è l'utilizzo dell'alluminio per la struttura al posto del più efficente titanio, escluso dall'aeronautica militare perchè considerato non sufficientemente testato[4].
L'abbandono del progetto di navetta completamente riutilizzabile (1971)
James C. Fletcher divenne amministratore della NASA nell'aprile del 1971 e fin dall'inizio del suo mandato si occupò di promuovere presso il Senato degli Stati Uniti il progetto della navetta spaziale, che in quel momento era bloccato. Si accorse ben presto ceh l'unico modo per raggiungere un accordo sui finanziamenti fosse quello di integrare nelle specifiche della navetta le esigenze dei militari per ottenere il loro supporto. Avviò anche dei tentativi di cooperazione internazionale, seppur con modesti risultati: l'Europa (ed in particolare la Germania) si impegnò a costruire lo Spacelab destinato a volare nella stiva dell'Orbiter e il Canada a realizzare un braccio meccanico per la navetta, chiamato Canadarm ed utilizzato per sollevare carichi in orbita.
Nel maggio del 1971, L'Ufficio del Bilancio (OMB) annuciò che la NASA avrebbe dovuto accontentarsi per gli anni seguenti di un budget ridotto a 3,2 miliardi di dollari annui, con un miliardo da dedicare allo sviluppo della navetta. Con questo vincolo finanziario, la NASA, fu costretta ad abbandonare il progetto di un sistema completamente riutilizzabile, il cui costo di sviluppo avrebbe richiesto oltre i 2 miliardi annui. La configurazione dell'[[ala a delta+] venne però mantenuta per rispettare le esigenze dei militari[4]. Sempre per rispettare i vicnoli di budget, la NASA optò, nel giugno 1971, per un serbatoio esterno non riutilizzabile[9][4].
Per ridurre ulteriormente i costi, la NASA ha richiesto uno studio relativo al primo stadio di propulsione a cui contribuirono Grumman, Boeing, Lockheed, McDonnell-Douglas, Martin Marrietta e North American Rockwell. I produttori dovevano prendere in considerazione tre alternative: l'uso di uno stadio Saturno IC, l'uso di uno stadio alimentato da nuovo motore propellente liquido o utilizzare un razzo a propellente solido. In seguito a questo studio, la NASA scelse di usare quest'ultima opzione che portava a risparmiare 500 milioni di dollari di costi di sviluppo rispetto ai propulsori a propellente liquido ma aumentò il costo delle operazioni di lancio di quasi il doppio (500 $ per ogni chilogrammo di carico utile contro i 275 dollari al chilogrammo)[4].
La decisione di lanciare (1972)
Il Presidente Richard Nixon non voleva essere considerato colui che aveva fermato le missioni umane spaziali degli stati initi, che ancora erano considerate un elemento di prestigio per la nazione. Inoltre, se l'opinione pubblica e la comunità scientifica avevano convenuto sulla necessità di ridurre il bilancio dedicato ai voli umani, il presidente non era immune alle pressioni dell'industria aerospaziale e alle considerazioni elettorali. Il ritiro degli Stati Uniti dal Vietnam aveva portato al crollo degli ordini militari, la crisi dell'industria e il declino del programma Apollo provocarono una recessione che l'industria aerospaziale statunitense non aveva mai conosciuto: la metà degli ingegneri e dipendenti che lavorano nel settore erano ridondanti. Questo problema era certamente rilevate per le imminenti elezioni presidenziali[10].
| Scenario | 1 | 2 | 2A | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|---|
| Diametro e lunghezza del vano carico | 3,1 x 9.1 m. | 3,7 x 12.2 m. | 4,3 x 13.7 m. | 4,3 x 15.2 m. | 4,6 x 18.3 m. |
| Massa del carico utile | 13.6 t. | 13.6 t. | 20.4 t. | 29.5 t. | 29.5 t. |
| Costo di sviluppo (Mds $) | 4,7 | 4,9 | 5 | 5,2 | 5,5 |
| Costo di una missione (Milns $) | 6,6 | 7 | 7,5 | 7,6 | 7,7 |
| Costo di lancio per Kg ($) | 485 | 492 | 368 | 254 | 260 |
LA NASA continuò a difendere il suo progetto di navetta spaziale evidenziando la riduzione di costo per la messa in orbita di carichi in confronto con i tradizionali lanciatori non riutilizzabili. L'agenzia, inoltre, propose una versione più potente del sistema in grado di trasportare un carico maggiore, questo sia per venire incontro all'esigenza dell'aeronautica militare e per permettere il montaggio di una stazione spaziale. Il presidente Nixon dette finalmente il suo benestare per il progetto più ambiziosa della navetta il 5 Gennaio 1972. Ma il suo sviluppo si scontrò con il calo costante del bilancio: i finanziamenti alla NASA passarono, infatti, dall'1,7% del bilancio tatoale dello stato federale del 1970 allo 0,7% del 1986[11][12]. Per poter finanziare adeguatamente lo sviluppo della navetta la NASA dovette abbanodanre il lancio della seconda stazione Skylab. Le missioni spaziali umane statunitensi vennero così sospese fino al primo volo dello Shuttle che avvenne soltanto nel 1981[4].
La selezione dei produttori
La gara di appalto per la proggettazione e la costruzione dell'Orbiter fu lanciata nel marzo 1972 dalla NASA. Fin da subito si evidenziarono le proposte della North American Rockwell, già costruttrice del modulo di comando e di servizio Apollo, con sede in California e quella della Grumman produttrice del Modulo Lunare Apollo e situata nello Stato di New York. Per il comitato di selezione della NASA, la prima proposta si distinse per il suo basso costo, per il ridotto peso dell'orbiter e per il solido sistema di gestione dei progetti, mentre quello della Grumman era ritenuto più interessante dal punto di vista tecnico. Il progetto della North American Rockwell Rockwell venne scelto in via definitiva il 26 Luglio 1972 per 2,6 miliardi di dollari: a questo prezzo l'azienda si impegnava a costruire due orbiter e un modello per i test operativi. Due Orbiter supplementari erano previsti in un momento successivo.
L'Orbiter scelto poteva mettere in orbita bassa 29,5 tonnellate e aveva una dimensione di 18,3 x 4,57 metri. Esso veniva prodotto a Palmdale in California. Nel 1973 l'azienda Thiokol aveva ottenuto il mandato per la costruzione dei due razzi booster e Martin Marietta quello per il serbatoio esterno, prodotto presso il Michoud Assembly Facility di proprietà della NASA. La Rocketdyne fu invece selezionata, a fine marzo 1972, per la produzione dei motori principali (Space Shuttle main engine - SSME) dell'orbiter[13][14].
Lo sviluppo (1972-1981)
Durante i primi due anni successivi alla firma del contratto, molte modifiche vennero apportate alle specifiche della navetta, principalmente per ridurre i costi di sviluppo. L'ala a doppia delta fu introdotta in questa fase allo scopo di migliorare la capacità di volo a bassa velocità ed in più permetteva, con interventi limitati nel design della parte anteriore, di compensare i problemi di posizione del centro di gravità che avrebbero potuto verificarsi in una fase più avanzata di sviluppo. Una delle novità più importanti fu l'abbandono di motori a reazione da utilizzaarsi nelle fasi di atterraggio.
Per spostare la navetta, ora non motorizzata, tra i vari siti, la NASA acquistò nel 1974, un Boeing 747 usato, che venne attrezzato per il suo trasporto sul dorso della fusoliera (l'aereo fu chiamato Shuttle Carrier Aircraft). Il primo test del motore SSME dell' orbiter si svolse il 17 Ottobre 1975. Il serbatoio esterno fu progressivamente ridotto per consentire un risparmio di peso di 4,5 tonnellate. La costruzione della prima navetta Enterprise terminò nel marzo 1976 ma non sarà poi utilizzato nella fase operativa, in quanto troppo pesante.
Il 12 agosto 1977 si tenne il primo volo senza motore della navetta, portato in quota e poi sganciata dal 747, nell'ambito del programma Approach and Landing Tests. La consegna dei primi SSME operativi fu rinviata di due anni a causa di alcuni inconvenienti nella fase di test che comportarono una rivisitazione del progetto. Nel febbraio 1980 la settima e ultima prova di qualificazione del booster viene eseguita[4][15].
Il primo volo spaziale dello Space Shuttle avvenne il 12 aprile 1981 con la missione STS-1. Lo Space Shuttle Columbia, con al comando l'esperto astronauta John W. Young e con Robert Crippen come pilota, realizzò 17 orbite in poco più di due giorni, rientrando in sicurezza presso la Edwards Air Force Base. Prima dell'impiego operativo vennero realizzati altri tre voli (STS-2, STS-3, STS-4) per testare tutto il sistema, avvenuti tra il 1981 e il 1982[4].
Note
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